Способ одновременного определения концентрации молекул со и co2 и устройство для одновременного определения концентрации молекул со и co2

Способ одновременного определения концентрации молекул со и co2 и устройство для одновременного определения концентрации молекул со и co2

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области лазерной спектроскопии и спектрального анализа, а именно к области применения перестраиваемых полупроводниковых лазеров, и может быть использовано для одновременной диагностики абсолютного и относительного содержания окислов углерода CO и CO₂ в газообразной среде, для мониторинга содержания окислов углерода CO и CO₂, например, в выдыхаемом воздухе, в атмосфере, в частности для биомедицинской диагностики.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны изобретения, направленные на решение задач газового анализа, таких, например, как определение состава выдыхаемого воздуха, которые используют в своей конструкции чувствительные элементы, основанные на различных физических принципах.

Известно Устройство для диагностики заболеваний человека по выдыхаемому воздуху [1]. Подход, основанный на применении различных принципов детектирования для разных веществ, используемый в конструкции данного устройства, обуславливает необходимость использования отдельного метрологического и инструментального обеспечения для каждого из применяемых принципов, что значительно усложняет всю систему в целом.

Известен Лазерный газоанализатор [2], содержащий систему отбора газа на анализ, аналитическую кювету и оптически с ней связанные твердотельный лазер с накачкой, линзы, зеркала и спектральный фильтр для формирования входного и выходного потоков излучения, спектральный прибор, приемник излучения, а также систему регистрации, электрически соединенную с приемником излучения, и ЭВМ для обработки и отображения данных и управления лазерным анализатором, отличающийся тем, что твердотельный лазер используют с диодной накачкой, в качестве спектрального фильтра применен сдвоенный голографический фильтр, в качестве спектрального прибора используют полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой, а в качестве приемника излучения - фотодиодные линейки.

Известен Помехозащищенный оптико-электронный газоанализатор [3], содержащий блок питания, лазер, декогерентор, оптическую кювету, спектральный элемент, оптическую систему, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, цифроаналоговый преобразователь, отличающийся тем, что к выходу блока питания подсоединены: лазер, фотоприемник, усилитель, а к входу присоединен блок управления через цифроаналоговый преобразователь; к кювете последовательно присоединены спектральный элемент, оптическая система, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления; лазер, декогерентор и кювета соединены лучом проходящего света.

Однако вышеперечисленные аналоги, основанные на известных лазерных технологиях и обеспечивающие определенную чувствительность детектирования поглощения оптического излучения, не обеспечивают сочетания требуемых аналитических характеристик, таких как чувствительность, точность, селективность и динамический диапазон анализа.

Известно также изобретение «Способ и устройство для измерения концентрации газов» [4], которое относится к области измерительной техники и может быть использовано для обнаружения и количественного анализа веществ. Техническим результатом [4] является повышение точности определения наличия и/или измерения концентрации вещества, а также значительное снижение уровня технических требований к составляющим устройства и соответственно их стоимости. Однако данное изобретение не обеспечивает сочетания таких необходимых характеристик газового анализа среды, как наглядность, точность и селективность, а также одновременность анализа различных веществ.

Известно изобретение [5] «Способ определения концентрации аммиака в смеси газов и устройство для его осуществления», область использования которого: количественная ИК-спектроскопия газовых смесей, а именно определение концентрации аммиака в смеси газов. Сущность способа определения содержания аммиака в газах заключается в том, что на анализируемую газовую смесь и эталонную смесь без аммиака воздействуют попеременно импульсами лазерного излучения с характеристической и нехарактеристической длинами волн в ИК-области спектра, измеряют амплитуды одной из нечетных Фурье-гармоник интенсивностей излучения, прошедшего через оба газа. О концентрации аммиака судят по разности амплитуд нечетных Фурье-гармоник. Для увеличения точности способа измеряют амплитуды четных Фурье-гармоник и нормируют на них соответствующие нечетные Фурье-гармоники. Устройство для реализации способа определения концентрации аммиака содержит импульсный лазер с перестраиваемой в ИК-области спектра длиной волны, по ходу излучения которого расположены два светоделителя, направляющие излучение по трем ветвям. На одной ветви установлена кювета с анализируемой смесью, за которой расположено возвратное зеркало, и детектор, на который попадает прошедшее через кювету излучение. На другой ветви установлена кювета с эталонным газом без аммиака, за кюветой расположен детектор. На третьей ветви установлены кювета с известным содержанием аммиака и детектор. Выходы трех детекторов соединены с тремя идентичными электрическими цепями, предназначенными для выделения амплитуд нечетных и четных Фурье-гармоник интенсивностей прошедшего через кювету излучения. Выходы цепей соединены с блоком управления. Изобретение позволяет измерять содержание аммиака в газовых смесях с высокой чувствительностью и точностью.

Однако, применительно к одновременному анализу нескольких газовых компонент в анализируемой газовой смеси, например, содержания молекул CO и CO₂ в газовой среде, в том числе в выдыхаемом воздухе, все перечисленные изобретения имеют существенные недостатки, затрудняющие решение поставленной задачи одновременного определения содержания молекул CO и CO₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и в частности в выдыхаемом воздухе, способом, который был бы наглядным, точным и селективным, а также мог бы быть реализован в полном объеме в виде надежного и эргономичного устройства.

Техническим результатом, на достижение которого направлено одно из представленной группы изобретений, является создание способа, позволяющего осуществлять одновременное определение концентрации молекул CO и CO₂, который был бы применим для одновременного определения содержания молекул CO и CO₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и в частности в выдыхаемом воздухе, который был бы наглядным, точным и селективным, кроме того, техническим результатом, на достижение которого направлено второе изобретение, является создание устройства, позволяющего осуществлять одновременное определение концентрации молекул CO и CO₂, которое было бы применимо для одновременного определения содержания молекул CO и CO₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и в частности в выдыхаемом воздухе, которое позволяло бы реализовать указанный способ в полном объеме, было бы надежным, эргономичным.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технический результат достигается тем, что предложены способ одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ и устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂.

1. Способ одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂, включающий измерения резонансного поглощения молекул CO и CO₂ посредством перестраиваемого полупроводникового лазера, оптическую частоту генерации которого настраивают на работу в спектральном диапазоне, в котором расположены линии поглощения, используемые для определения содержания молекул CO и CO₂, оптическую частоту используемого лазера периодически сканируют в анализируемом спектральном диапазоне посредством модуляции величины тока накачки, лазерное излучение пропускают через исследуемую среду, прошедшее анализируемую среду лазерное излучение детектируют с помощью фотоприемника, регистрируют лазерный спектр пропускания среды, содержащий анализируемые линии поглощения CO и CO₂, регистрируемый лазерный спектр обрабатывают, используя средства программно-аппаратного комплекса, и рассчитывают спектр коэффициента поглощения в линиях, при этом учитывают интенсивность лазерного излучения вне анализируемых линий поглощения, расчетным путем по величине резонансного поглощения в линиях определяют концентрации анализируемых молекул CO и CO₂ и их относительное содержание, повышают чувствительность определения абсолютной и относительной концентрации молекул, регистрируя первую и/или вторую производные спектров пропускания молекул, а также используя многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду, при этом для одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа используют линии поглощения CO и линии поглощения CO₂, попадающие в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно используют не перекрывающиеся с линиями поглощения паров воды линии поглощения CO из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм соответственно, и линии поглощения CO₂ полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных соответственно в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения CO, в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют газообразную среду.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют выдыхаемый воздух.

3. Устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂, выполненное с возможностью ввода параметров лазерной аналитической системы и запуска процесса лазерного спектрального анализа, а также с возможностью выбора спектральных и частотных характеристик лазерного излучения, температурного режима работы используемого лазера, параметров сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, включающее в качестве используемого лазера перестраиваемый полупроводниковый лазер, выполненный с возможностью генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в той спектральной области, в которой расположены используемые для анализа линии поглощения CO и CO₂, находящихся в газообразном состоянии, включающее также систему управления, выполненную с возможностью поддержания заданных параметров, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров, их оцифровки, а также с возможностью передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, выдачи результатов измерений, систему термостабилизации, выполненную с возможностью настройки используемого лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения CO и CO₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры используемого лазера и его рабочей длины волны, систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, выполненную с возможностью генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки указанного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки, систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, выполненную с возможностью коллимации расходящегося излучения используемого лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на систему детектирования оптического излучения, выполненную с возможностью выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал, систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, выполненную с возможностью предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, в случае необходимости, аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала, систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, выполненную с возможностью перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, с возможностью считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации, систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную с возможностью обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в анализируемых линиях CO и CO₂ в регистрируемом диапазоне спектра, систему расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, выполненную с возможностью осуществления расчета концентрации молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также их относительного содержания, систему вывода результирующих данных, выполненную с возможностью вывода и визуализации полученных данных абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также других промежуточных результатов обработки спектров, отражающих изменения измеряемых параметров, при этом ввод основных параметров возможен посредством системы управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, которая сопряжена с используемым лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания, выбор параметров системы также возможен посредством системы управления, с которой сопряжен используемый лазер, который, в свою очередь, сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которой последовательно соединены объект спектрального анализа, содержащий CO и CO₂, система детектирования лазерного излучения, система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, система обработки лазерных спектров пропускания, выполненная с возможностью одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа с возможностью использования линий поглощения CO и линий поглощения CO₂, попадающих в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно с возможностью использования не перекрывающихся с линиями поглощения паров воды линий поглощения СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм соответственно, и линий поглощения CO₂ полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных соответственно в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения CO, с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, газообразной среды, для выполнения последующего расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, с возможностью повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул, обеспечивая регистрацию первой и/или второй производной спектров пропускания молекул, а также предусматривая многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что выполнено с возможностью использования выдыхаемого воздуха в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂.

Известно, что молекула CO₂, в силу присущего ей типа симметрии, имеет в инфракрасном диапазоне спектра достаточно большое количество колебательно-вращательных полос, активных в поглощениях. Большая часть из них соответствует возбуждению так называемых составных колебаний молекулы, которые являются суммой нескольких различных ее колебаний в различных сочетаниях, или обертонов основных колебаний. Эти полосы являются существенно более слабыми, чем полосы фундаментального поглощения, однако, в силу многочисленности всевозможных комбинаций колебательного возбуждения молекулы CO₂ при поглощении ИК-излучения, эти слабые колебательно-вращательные полосы CO₂ можно обнаружить практически во всем ИК-диапазоне, от 1 до 16 мкм. В то же время молекула CO имеет всего одну колебательную степень свободы и одну соответствующую ей полосу колебательно-вращательного фундаментального поглощения 1-0, расположенную в среднем ИК-диапазоне вблизи 4.7 мкм. В ближнем ИК-диапазоне расположено лишь несколько существенно более слабых полос поглощения СО 2-0 и 3-0, соответствующих первому и второму обертонам основного перехода.

В силу распространенности полос поглощения CO₂ по спектру, полосы поглощения CO и CO₂ перекрываются. Причем в известных областях их перекрытия интенсивность резонансного поглощения в линиях СО может на 4-6 порядков превышать поглощение в линиях CO₂.

Указанная закономерность использована в предлагаемых изобретениях для одновременного измерения абсолютных и относительных концентраций CO и CO₂ в газовых смесях, где содержание этих веществ также различается на несколько порядков. В частности, такая ситуация реализуется в выдыхаемом воздухе, где содержание эндогенного, то есть образуемого в организме за счет естественного обмена веществ, СО составляет порядка 1×10^-4 об.%, а концентрация выделяемого CO₂ может находиться в диапазоне 3-6 об.%. Различие спектральных свойств CO и CO₂ может быть использовано для их одновременного селективного спектрального анализа в целях биомедицинской диагностики, основанной на определении относительного содержания окислов углерода в выдыхаемом воздухе.

Предлагаемый способ одновременного определения концентрации молекул CO и

CO₂ в газообразной среде, в частности в выдыхаемом воздухе, включает измерения резонансного поглощения CO и CO₂ с помощью перестраиваемого полупроводникового лазера. Оптическую частоту генерации используемого лазера настраивают на работу в спектральном диапазоне, в котором расположены линии поглощения, используемые для определения содержания молекул CO и CO₂. Оптическую частоту используемого лазера периодически сканируют в анализируемом спектральном диапазоне посредством модуляции величины тока накачки, лазерное излучение пропускают через исследуемую среду. Затем прошедшее анализируемую среду лазерное излучение детектируют с помощью фотоприемника, регистрируют лазерный спектр пропускания среды, содержащий анализируемые линии поглощения CO и CO₂.

Регистрируемый лазерный спектр обрабатывают, используя средства программно-аппаратного комплекса, и рассчитывают спектр коэффициента поглощения в линиях, при этом учитывают интенсивность лазерного излучения вне анализируемых линий поглощения, далее расчетным путем по величине резонансного поглощения в линиях определяют концентрации анализируемых молекул CO и CO₂, а также относительное их содержание.

Для повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул регистрируют первую и/или вторую производные спектров пропускания молекул.

Для повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул также используют многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду.

Для одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа используют линии поглощения CO и линии поглощения CO₂, попадающие в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно используют не перекрывающиеся с линиями поглощения паров воды линии поглощения СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм соответственно, и линии поглощения CO₂ полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных соответственно в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения CO, в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют газообразную среду, в частности выдыхаемый воздух.

Объект спектрального анализа, содержащий CO и CO₂, может находиться как в открытой атмосфере, так и в герметичном объеме и предназначен для измерения его спектров пропускания в используемом спектральном диапазоне и определения в нем абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂.

В предлагаемом способе в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют газовую среду, в частности выдыхаемый воздух.

Для реализации предлагаемого способа предложено устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂, принципиальная схема которого представлена на Фиг.1, которое включает следующие основные элементы с указанием номеров позиций на схеме.

Используемый лазер - перестраиваемый полупроводниковый лазер - позиция 3 на Фиг.1. Предназначен для генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в спектральной области, где расположены используемые для анализа линии поглощения CO и CO₂, находящиеся в газообразном состоянии.

Система управления - позиция 4 на Фиг.1.

Предназначена для поддержания заданных параметров системы, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров и их оцифровки, а также передачи, буферирования, хранения и обработки спектральных данных и выдачи результата измерений.

Система термостабилизации - позиция 5 на Фиг.1.

Предназначена для настройки перестраиваемого полупроводникового лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения CO и CO₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры лазера и его рабочей длины волны.

Система накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого полупроводникового лазера - позиция 6 на Фиг.1.

Предназначена для генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки указанного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого перестраиваемого полупроводникового лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки.

Система формирования пространственных характеристик лазерного пучка - позиция 7 на Фиг.1.

Предназначена для коллимации расходящегося излучения перестраиваемого полупроводникового лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на устройство детектирования оптического излучения.

Система детектирования лазерного излучения - позиция 9 на Фиг.1.

Предназначена для выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал.

Система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала - позиция 10 на Фиг.1.

Предназначена для предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, если необходимо, для аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала.

Система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала - позиция 11 на Фиг.1.

Предназначена для перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память электронного устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации.

Система обработки лазерных спектров пропускания - позиция 12 на Фиг.1.

Предназначена для обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в аналитических линиях CO и CO₂ в регистрируемом диапазоне спектра.

С помощью системы расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде осуществляют расчет концентрации молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также их относительного содержания - позиция 13 на Фиг.1.

Система вывода результирующих данных - позиция 14 на Фиг.1.

Предназначена для вывода и визуализации полученных данных в виде численного значения абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также и других промежуточных результатов обработки спектров, кривой на мониторе или экране, отражающей изменения измеряемых величин со временем, и/или в виде файла, содержащего последовательность цифровых данных по абсолютному и относительному содержанию молекул CO и CO₂ в анализируемой среде и другим промежуточным результатам.

Объект спектрального анализа, содержащий молекулы CO и CO₂, находящиеся в открытой атмосфере или в герметичном объеме, снабженном устройствами ввода и вывода излучения и напуска анализируемой среды. Предназначен для измерения его спектров пропускания в используемом спектральном диапазоне и определения в нем абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ - позиция 8 на Фиг.1.

Предлагаемое устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ выполнено:

- с возможностью ввода параметров лазерной аналитической системы,

- с возможностью запуска процесса лазерного спектрального анализа, что схематично представлено на позиции 1 Фиг.1,

а также:

- с возможностью выбора спектральных и частотных характеристик лазерного излучения,

- с возможностью выбора температурного режима работы используемого лазера,

- с возможностью выбора параметров сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных посредством системы управления,

что схематично представлено на позиции 2 Фиг.1.

Предлагаемое устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ включает:

- в качестве используемого лазера перестраиваемый полупроводниковый лазер, выполненный с возможностью генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в той спектральной области, в которой расположены используемые для анализа линии поглощения CO и CO₂, находящихся в газообразном состоянии,

- систему управления, выполненную с возможностью поддержания заданных параметров, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров, их оцифровки, а также с возможностью передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, выдачи результатов измерений,

- систему термостабилизации, выполненную с возможностью настройки используемого лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения CO и CO₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры используемого лазера и его рабочей длины волны,

- систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, выполненную с возможностью генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки указанного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки,

- систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, выполненную с возможностью коллимации расходящегося излучения используемого лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на систему детектирования,

- систему детектирования оптического излучения, выполненную с возможностью выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал,

- систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, выполненную с возможностью предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, в случае необходимости, аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала,

- систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, выполненную с возможностью перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, с возможностью считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации,

- систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную с возможностью обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в анализируемых линиях CO и CO₂ в регистрируемом диапазоне спектра,

- систему расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде. С помощью системы расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде осуществляют расчет концентрации молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также их относительного содержания,

- систему вывода результирующих данных, выполненную с возможностью вывода и визуализации полученных данных абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также других промежуточных результатов обработки спектров, отражающих изменения измеряемых параметров.

Ввод основных параметров возможен посредством системы управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, которая сопряжена с используемым лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания.

Выбор параметров системы также возможен посредством системы управления, с которой сопряжен используемый лазер.

Используемый лазер сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которой последовательно соединены:

- объект спектрального анализа, содержащий молекулы CO и CO₂,

- система детектирования лазерного излучения,

- система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала,

- система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала,

- система обработки лазерных спектров пропускания.

Система обработки лазерных спектров пропускания выполнена с возможностью одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа с использованием линий поглощения CO из:

- фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0,

- или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0,

- или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи:

- 4.7 мкм,

- или 2.35 мкм,

- или 1.57 мкм соответственно,

и линий поглощения CO₂ полос:

- 20001-01101,

- или 00021-01101,

- или 30012-00001,

с возможностью использования линий поглощения CO и линий поглощения CO₂, попадающих в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно с возможностью использования не перекрывающихся с линиями поглощения паров воды линий поглощения CO из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм соответственно, и линий поглощения CO₂ полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных соответственно в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения CO, с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, газообразной среды, в частности выдыхаемого воздуха, с возможностью повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул, обеспечивая регистрацию первой и/или второй производной спектров пропускания молекул, а также предусматривая многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду.

Пример одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂.

Посредством системы управления вводят основные параметры системы, такие как: рабочая температура лазера, ток накачки лазера, режим модуляции оптической частоты лазера, режим регистрации и оцифровки детектируемого сигнала, параметры обработки спектров пропускания, режим вывода и визуализации получаемых результатов. С ее помощью осуществляют также поддержание перечисленных выше заданных параметров системы, поддержание и синхронизацию циклов сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных и выдачи результата измерений. Система термостабилизации рабочей температуры используемого в примере лазера - перестраиваемого полупроводникового лазера - представляет собой совокупность электронной системы автоматического управления и термостата, включающего датчики температуры, активный нагревательный элемент и охлаждающий элемент. Вблизи комнатных температур в качестве последних может, например, использоваться термоэлектрический холодильник типа Пельте, а при криогенных температурах, например, система на основе заливного азотного криостата. Системой термостабилизации температуру теплообменника, на котором смонтирован лазер, поддерживают около заданного значения, которое зависит от параметров лазера и может лежать в диапазоне температур жидкого азота или комнатных температур. Система накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого полупроводникового лазера представляет собой источник периодически повторяющихся импульсов тока, имеющих определенную частоту повторения, определенную длительность импульсов, определенную амплитуду тока. В качестве лазера используют перестраиваемый лазер, генерирующий на длине волны вблизи указанных значений: 4.7 мкм или 2.35 мкм, или 1.57 мкм.

Накачка такого лазера токовыми импульсами с определенными параметрами позволяет получить перестройку частоты в течение одного импульса, что достаточно для регистрации в одном импульсе двух линий поглощения, одна из которых принадлежит молекулам CO, а другая - молекулам CO₂.

Для формирования пространственных характеристик лазерного пучка применяют объектив, фокусирующий излучение на чувствительную площадку фотодетектора. Лазерное излучение пропускают через многоходовую оптическую кювету с определенной длиной оптического пути, снабженную окошками и устройствами напуска анализируемой среды, в которой находится объект спектрального анализа, содержащий CO и CO₂.

Для детектирования лазерного излучения в указанных в примере диапазонах используют фотодиод с определенн